صفحات ۸۳ – ۸۸۸۳نشریه هنرهای زیبا – معماری و شهرسازی دوره ۱۸

شماره۲ تابستان ۱۳۹۲
101264711654

بهینه سازی دودکش خورشیدی و بررسی اثر آن بر تهویه ساختمان*

مریم فخاری*1، شاهین حیدری 2
۱ کارشناس ارشد انرژی معماری، دانشکده معماری، پردیس هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران .
۲ دانشیار دانشکده معماری، پردیس هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
)تاریخ دریافت مقاله: 5/4/۹۱، تاریخ پذیرش نهایی: ۲۱/۲/۹۲(
چکیده
از آنجا که4۰% از مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان است و بخش عمده آن صرف سرمایش و گرمایش می شود، راهکارهای طراحی غیرفعال، کمک قابل توجهی به کاهش مصرف انرژی می کند .یکی از روشهای تهویه غیرفعال، استفاده از دودکش خورشیدی است که با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. به دلیل عدم دسترسی به نمونه های مختلف اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. نتایج ارائه شده، برگرفته از شبیه سازی مدلهای مختلف دودکش خورشیدی متصل به یک ساختمان اداری هفت طبقه با کمک نرمافزار انرژی پلاس است. مدلهای مختلف با ابعاد متفاوت دودکش خورشیدی با هم مقایسه شدند. همچنین مدلها در صورتی که همه طبقات به دودکش خورشیدی متصل باشند و در حالتهایی که هر طبقه به صورت منفرد به دودکش متصل باشد، شبیهسازی شدهاند. در این تحقیق، تاثیر به کارگیری دودکش خورشیدی بر تهویه فضاهای متصل به آن در اقلیم گرم و خشک شهر اصفهان بررسی شده است. همچنین مساحت فضاهایی که دودکش خورشیدی با ابعاد بهینه ،در هر طبقه قادر به تامین تعویض هوای مورد نیاز آن است، مورد توجه قرار گرفته است.
واژههای کلیدی
دودکش خورشیدی، تهویه، ابعاد بهینه، شبیه سازی انرژی، نرم افزار انرژی پلاس.

* این مقاله برگرفته از پایان نامه کارشناسی ارشد نگارنده اول تحت عنوان “بررسی اثر دودکش خورشیدی در کاهش بار حرارتی ساختمانهای اداری در شهر اصفهان” است که به راهنمایی نگارنده دوم و سرکار خانم دکتر ریما فیاض در دانشکده معماری دانشگاه تهران به انجام رسیده است.
.E-mail: [email protected] ،۰۲۱-66۹7۲۰۸۳ :نویسنده مسئول: تلفن: ۰۹۱۸۳۱۳۸۳۳۹، نمابر **
۸4

مقدمه

عوامل بسـیاری از جمله مواد و مصالح س اختمانی، مبلمان، فعالیت ه ای فیزیولوژیکی افراد و دس تگاههای حرارت زا در داخل س اختمان، منج ر به آلودگی هوای داخل می ش وند ک ه با افزایش روز اف زون عای قکاری س اختمان و تلاش کاهش ام کان نفوذ هوا از درزهـا و عدم نش ت هوا )برای کاه ش اتلاف حرارتی(، آلودگی در فض ای داخ ل باقی میمان د. از این رو، تهویه در س اختمان امری اجتنابناپذیر اس ت. اس تفاده از سیس تم های غیرفعال در تهویه س اختمان، هم این مش کل را بر طرف می کند و هم گامی مهم در جهت کاهش مصرف انرژی و آلودگی های محیط زیست است .
4469993952852

از آنجا که روش های غیرفعالی که مردم مناطق گرم و خش ک ایران برای به جریان در آوردن هوا به کار می بردند، کارا بوده است ،می ت وان ب ا اص لاح نقای ص آنه ا در معم اری ام روز از ای ن روش ها استفاده کرد که از آن جمله ساخت بادگیر است. بادگیر با هدایت جری ان باد ب ه فضای داخ ل، در برقراری جریان هوا تاثیر بس زایی دارد. در غی اب ب اد و در ط ول روز، بدنه بادگی ر در تبادل حرارت با ه وای بیرون و دریافت تابش خورش ید کاملاً گرم می ش ود. هوای داخ ل بادگیر نی ز در اثر تبادل حرارتی با بدنهی بادگیر گرم ش ده و ج رم مخص وص آن کاهش می یابد و به اصطلاح س بك میش ود ،س پس در اثر پدیده اثر دودکش ی، به بالا کش یده می ش ود. بدین ترتیب بادگیر مانند دودکش، مکش ی را به وجود می آورد که باعث میش ود هوای بیرون از در و پنجرههای اتاق وارد بادگیر ش ود و به س مت ب الا جری ان یابد. ب ه این ترتیب ه ر زمان که دم ای هوای درون بادگیر بیش تر از هوای بیرون باش د، جریان ملایمی از هوای بی رون و از حی اط ب ه داخ ل اتاق یا س اختمان و س پس به داخل بادگی ر برق رار میش ود. مق دار جری ان هوای ی ک ه در اثر پدی ده اثر دودکش ی، در بادگیرها به وجود می آید بس یار کم است و بادگیرها در غیـاب وزش باد کارایی قابل ملاحظـه ای ندارند )بهادری نژاد ،۱۳۸7، ۱5(. دودک ش خورش یدی عملکرد مش ابهی دارد و یکی از سیس تم های غیرفعال اس ت که با اس تفاده از انرژی خورش یدی ،نقص موجود در عملکرد دودکش ی بادگیر را جبران میکند و تهویه م ورد نیاز س اختمان را فراهم میس ازد. از آنجا ک ه در مناطق گرم و خش ک تعداد س اعات آفتابی در طول سال زیاد است و می توان از ان رژی خورش یدی به عن وان مهم ترین منبع ان رژی تجدیدپذیر استفاده کرد، دودکش های خورشیدی کارایی مناسبی دارند.
دودک ش خورش یدی معمولاً از شیش ه، حفره و س طح جاذب تشکیل شده است. هوا در دودکش به وسیله انرژی خورشیدی گرم میشود و به دلیل پدیده اثر دودکشی به سمت بالا حرکت میکند. در واقع ترکیب تابش و همرفت در دودکش خورشیدی منجر به حرکت هوای قابل توجه به س مت بالا و در نتیجه افزایش تهویه میش ود .این حرکت به بالا، یک نیروی رانشی ایجاد میکند که میتواند تهویه طبیعی را در فضاهای مجاور افزایش دهد )Miyazaki et al, 2006(.
بررس ی عملک رد دودک ش خورش یدی در اقلیم گرم و خش ک ش هر اصفه ان و می زان پاس خگویی آن به نی از تهویه فضاه ا راه را ب رای اس تفاده از آن ب ا کارک رد مناس ب در س اختمانهای اداری فراهم میس ازد. رس یدن به ابعاد بهینه که قادر به پاسخگویی به تعداد دفعات تعویض هوای مورد نیاز برای فضاهای اصلی است ،از مقایسه بین حالت های مختلف دودکش خورشیدی متصل به فضاه ای اصل ی به دس ت می آی د. از آنجا که امکان ان دازه گیری حقیقی)ب ه دلی ل رای ج نب ودن کارب رد دودک ش خورش یدی در س اختمان( وجود ندارد، شبیهس ازی کامپیوتری روش جایگزین مناس بی اس ت ک ه می توان د ب دون محدودی ت زمان ی و عددی، مدل ه ای فرض ی را در ه ر اقلیم ی بررس ی کن د و رفت ار حرارت ی ساحتمان را به صورت کمی در حالت های مختلف با هم مقایسه کن د. شبیهس ازی توس ط نرم اف زار ان رژی پ لاس۱ نس خه 5 انج ام ش د. ابتدا مدلها در نرمافزار ا کوتکت۲ شبیهسازی شدند. سپس هندسه مدلها به نرم افزار انرژی پلاس منتقل شدند .
پیشینه تحقیق
اولین مطالعه بر روی دودکشهای خورشیدی در سال ۱۹۹۳ توس ط بنس ال و همکاران ش انج ام ش د. آنها به کم ک یک مدل ریاضی، افزایش تهویه را در صورت استفاده از دودکش خورشیدی و طراح ی صحی ح سیس تم، اثب ات کردن د )Bansal et al, 1994(. آفونس و و الیوی را، با مقایس ه بی ن دودکش خورش یدی و دودکش معمول ی، تاثی ر ان رژی خورش ید را بر افزای ش تهویه تایی د کردند و نش ان دادن د ک ه دودک ش خورشـیدی ب ه ط ور موث ری تهوی ه را بهبود میبخش د. همچنین ثابت کردند که افزایش جرم حرارتی ،تهوی ه را در ط ول روز کاه ش می دهد ام ا باعث افزای ش تهویه در ط ول ش ب می ش ود)Afonso & Oliveira, 2000(. بوچی ر، ع رض بهینه حفره هوا را در یک دودکش خورش یدی بررسی کرد و نشان داد ک ه در الجزای ر عرض بهینه 10/H اس ت ک ه H ارتفاع دودکش اس ت )buchair,1994(. چ اروت و همکاران ش نش ان دادن د ک ه ب ا اف زودن ج رم حرارت ی، س رعت ه وا و در نتیج ه ق درت تهویه ،درس اعات ش ب افزایش مییاب د. همچنی ن اس تفاده از دودکش خورش یدی در طول س اعات روز باعث ۲5 درصد افزایش س رعت هوا می ش ود )Charvat et al , 2004(. فونیاس ومپن و همکارانش ،عملک رد دودکش خورش یدی را در یک س اختمان چن د طبقه در ش هر بانکوک به صورت آزمایش ی و عددی بررس ی کردن د. آنها دو مدل کوچک از یک س اختمان س ه طبقه را ارائه دادند و دودکش خورش یدی را در حالت ی ک ه برای ه ر طبقه به ص ورت مجزا عمل کن د ب ا حالت ی ک ه بین ه ر س ه طبقه ب ه صورت مش ترک باش د ،م ورد مقایس ه ق رار دادن د و به این نتیجه رس یدند ک ه در صورتی که دودکش خورش یدی به تمام طبقات متصل باش د و برای همه طبقات یک دودکش سراسری در نظر گرفته شود، عملکرد بهتری دارد )Punyasompun et al, 2009(.
خ داری و همکاران ش نی ز ان واع مختل ف دودکش ه ای خورشیدی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که دودکش های خورش یدی ب ه طور موث ری در تولید جری ان هوا موثرن د. عملکرد دودک ش خورش یدی در س اختمان های اداری ب ا تهوی ه مطب وع نی ز توس ط آزمای ش مورد بررس ی قرار گرف ت و ای ن نتیجه حاصل ش د که مصرف روزانه الکتریس یته دس تگاههای تهویه با استفاده از دودک ش خورش یدی کاه ش می یاب د )Khedari et al, 2000(.
سوداپورن و بوندیت به صورت آزمایشی تاثیر دودکش خورشیدی را بـر افزای ش تهویه هوای داخل، در حالتی که فضای اصلی به بام مرطوب متصل باشد و در حالتی که به بام مرطوب متصل نباشد ،بررس ی کردند و به این نتیجه رس یدند که دودکش خارجی بس ته به دمای محیط و میزان تابش خورشیدی، میتواند دمای داخل را ۱ ت ا 5/۳ درج ه کاه ش ده د )9002 ,Sudaporn & Bundit(.مطالعه موردی
در ای ن مقال ه ی ک س اختمان اداری فرض ی هف ت طبق ه مدلس ازی ش د. تصوی ر۱، این س اختمان را به صورت ش ماتیک نشان میدهد .
بیش ترین ن رخ جری ان حجم ی ه وا در س اعات اداری مرب وط
مدل شبیه سازی شده، اتاق هایی با ابعاد 6×۸ متر و با ارتفاع 7/۲ متر هس تند که به یک دودکش خورش یدی به ارتفاع ۲۲ متر متصل هس تند. یک ورودی هوا برای هر اتاق به ابعاد ۲×۳/۰ متر در جبهه شمالی ساختمان، در نظر گرفته شده است. ورودی هوا ب ه دودک ش از طریق یک دریچه به ارتفاع 5/۰ متر و به عرض 5/۱ متر به فاصله ۳/ ۰ متر از کف در هر طبقه است )انتخاب این ابعاد برای اتاق به دلیل نزدیک بودن به ابعاد متداول برای یک فضای اداری اس ت و ارتف اع دودکش خورش یدی به تناس ب س اختمان اداری متصل به آن انتخاب ش ده اس ت(. خروجی هوا از دودکش
۸5
بهینه سازی دودکش خورشیدی و بررسی اثر آن بر تهویه ساختمان
برای رسـیدن ب ه حدا کثر کارای ی در بالاترین قسـمت دودکش در نظر گرفته شده است )تصویر ۲(.
پوشش کفها بتنی است و بام از بتن و لایه عایق تشکیل شده است. در این تحقیق با تغییراتی در مدل فوق، تاثیر عوامل مختلف بر کارایی سیستم بررسی میشود. عرض دودکش در تمامی مدلها ۲ مت ر و ارتف اع آن ۱ مت ر بالات ر از س قف آخریـن طبق ه یعنی۲۲متر ،فرض شده است. عمق دودکش خورشیدی در مدلهای مختلف ،به ترتیب 4/۱،6/۱، ۸/۱، ۲، ۲/۲ و 4/۲ در نظر گرفته شده است )از آنجا که بوچیر به نسبت بهینه 10/H در الجزایر رسیده است، ابعاد پیشنهاد شده نزدیک به آن در نظر گرفته شده است(. دیوار پوسته خارجی از ۱۰ سانتی متر بتن همراه با 5 سانتیمتر عایق تشکیل شده اس ت و دی وار حـد فاصل بین ات اق و دودکش که به عن وان جاذب عمل میکند، از 5 سانتیمتر عایق و ۱۰ سانتی متر بتن تشکیل شده است که لایه عایق در قسمت داخلی دیوار قرار دارد. این لایه عایق ،مانع از انتقال گرما از دودکش خورشیدی به فضای اتاق میشود که در نتیجه مانع از گرم شدن فضای اصلی و هدر رفتن گرما میشود .
شبیه سازی مدلها
شبیه سازیها در یک روز نمونه در فصل گرم) ۳۱ تیرماه( انجام شـد. بر اس اس داده ه ای آب و هوای ی نرمافزار ان رژی پلاس برای شهر اصفهان، متوسط دمای هوا در ساعات اداری در این روز ۳۳ درجه سلس یوس، سـرعت ب اد در محیط ۸/۱ متر ب ر ثانیه و تابش خورش یدی 65۰ وات بر متر مربع اس ت. از آنجا که عمق دودکش خورش یدی یکی از عوامل موثر بر ن رخ جریان حجمی هوا و دمای هوای خروجی از دودکش است، مدلهای فرضی برای رسیدن به عمق بهینه، در 6 حالت مختلف شبیه سازی شدند .در مدل های شبیهسازی شده، همه ابعاد بجز عمق دودکش خورشیدی یکسان در نظر گرفته ش دند. عمق دودکش خورش یدی در مدل های ۱ تا 6 ب ه ترتی ب 4/۱ ،6/۱، ۸/۱، ۲، ۲/۲ و 4/۲ ف رض ش ده اس ت .
تحلیل رفتار مدل ها
36419442694

اداری
.

مدل

فرضی

از

یک

ساختمان
1
تصویر
.
خورشیدی

مدل

ساختمان

اداری

هفت

طبقه

متصل

به

دودکش
فرضی
2
تصویر

اداری

.

مدل

فرضی

از

یک



قیمت: تومان

دسته بندی : معماری و شهرسازی

دیدگاهتان را بنویسید